神經(jīng)型尼古丁乙酰膽堿受體在阿爾茨海默病中的神經(jīng)保護(hù)作用

歐陽凱 齊曉嵐 官志忠 (貴陽醫(yī)學(xué)院分子生物學(xué)重點實驗室，貴州 貴陽 550004)

老年性癡呆主要分為三種:一種叫阿爾茨海默病(AD)，其最為常見，大約占68%;第二種叫血管性癡呆(VD)，是一種由于血供不足引起的不同大腦區(qū)域損傷所致的漸進(jìn)性認(rèn)知障礙;第三種是以上兩種病癥并存，叫混合性癡呆。AD是一種主要在老年期發(fā)生的以進(jìn)行性癡呆為主要特征的神經(jīng)元退行性變疾病，其主要臨床特征為進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙、記憶力進(jìn)行性衰退、失語〔1〕，甚至表現(xiàn)為行為人格的改變等〔2〕。在發(fā)達(dá)國家，老年癡呆已成為繼心血管疾病、癌癥和腦卒中之后人類第4位死因的疾病〔3〕。目前，在美國有540多萬人患有AD，而在我國患者數(shù)已高達(dá)600萬人，占全球患者總數(shù)的近四分之一〔4〕。一個全球性的AD研究統(tǒng)計指出，在2005年全球約有2400百萬人罹患老年癡呆癥，并且以每二十年翻一番的速度增加，到2020年人數(shù)約為4200百萬，而我國就將達(dá)到1020萬〔5〕。

AD的主要病理特征為細(xì)胞外β－淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成的老年斑(SPs)及神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元 tau蛋白過度磷酸化導(dǎo)致神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)〔6〕，同時還伴有顆?？张葑冃?granulovacuolar degeneration，GD)，平野小體(hirano body，HB)，神經(jīng)元減少，星形細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)以及腦血管改變等。導(dǎo)致AD的原發(fā)因素尚不明確，其發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜。目前認(rèn)為AD是由遺傳學(xué)、環(huán)境和代謝等多種因素共同作用所引起的一種復(fù)雜的病理過程，涉及多種病理機(jī)制。大量研究發(fā)現(xiàn)給予尼古丁和其他煙堿受體激動劑后神經(jīng)型尼古丁乙酰膽堿受體(nAChR)可發(fā)揮一定的神經(jīng)保護(hù)作用。本文就nAChR與AD的關(guān)系及其對AD的神經(jīng)保護(hù)作用等研究綜述如下。

1 nAChR結(jié)構(gòu)特征

膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)性受體，根據(jù)其藥理學(xué)反應(yīng)特性不同分為毒蕈堿型乙酰膽堿能受體(mAChR)和煙堿型或尼古丁型nAChR。mAChR屬于G蛋白耦聯(lián)受體，nAChR屬于配體門控離子通道耦聯(lián)受體，可分為神經(jīng)型和肌肉型，其為五聚體，橫截面觀呈五角形狀，中央形成一個離子通道，主要調(diào)控細(xì)胞內(nèi)外Na+、K+和Ca2+等離子流動〔7〕。其本身亦是離子通道，其通道開放不需第二信使的參與。

神經(jīng)型尼古丁受體含有多種亞單位，目前認(rèn)為至少含有α2～10和β2～4等12種亞單位，每種亞單位由不同的基因編碼〔8〕。這些亞單位的不同組合表現(xiàn)出不同的藥理學(xué)和生理學(xué)特征。因此，當(dāng)不同的nAChRs亞型與相同配體結(jié)合時可表現(xiàn)出不一樣的親和力及對離子的通透性。氨基酸序列分析顯示，nAChR亞基由4個跨膜螺旋區(qū)域(M1，M2，M3和M4)和1個較大的胞外親水氨基酸組成。M2跨膜區(qū)位于內(nèi)側(cè)，構(gòu)成離子通道的內(nèi)襯面。由于M2螺旋上含有較多的酸性氨基酸殘基，使通道形成負(fù)性電位吸引陽離子，以此構(gòu)成nAChR的陽離子通道特性〔9〕。研究發(fā)現(xiàn)，nAChR結(jié)合部位主要是在胞外親水氨基酸α亞基第192和193位兩個相鄰的半胱氨酸〔10〕，能形成雙硫鍵，配體與此結(jié)合后，受體通過變構(gòu)打開內(nèi)孔，陽離子內(nèi)流，而β亞基為結(jié)構(gòu)亞基，無此結(jié)合部位，維持受體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

nAChR可分為中樞型和外周型。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布最多的是α4β2和α7兩種受體亞型，其中α4β2幾乎在整個神經(jīng)系統(tǒng)都有分布而α7亞型只在大腦皮層、下丘腦和海馬及一些腦干核團(tuán)中出現(xiàn)較多。就單個神經(jīng)元而言，nAChR不僅存在于細(xì)胞的胞體，也存在于細(xì)胞的樹突和軸突。尼古丁與分布于皮層、海馬及小腦等區(qū)域的神經(jīng)突觸前膜上的nAChR結(jié)合即能興奮nAChR，增加多種神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，從而調(diào)節(jié)各種行為。因而人們認(rèn)為nAChR在腦內(nèi)的作用是調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性進(jìn)而調(diào)節(jié)一系列行為反應(yīng)，特別是學(xué)習(xí)、記憶、注意力的保持等認(rèn)知過程〔9，11〕。當(dāng)激動劑與 nAChR結(jié)合時受體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其中包括通道打開以及允許更多的Ca2+通過通道等。這種與配體結(jié)合后出現(xiàn)的Ca2+通道關(guān)閉、開放及脫敏使得nAChR發(fā)生構(gòu)效狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通常nAChR存在3種構(gòu)效狀態(tài)，其相互之間的轉(zhuǎn)換構(gòu)成了nAChR的復(fù)雜性。nAChR與大腦學(xué)習(xí)記憶、智力發(fā)育和識別能力等腦功能有關(guān)，還調(diào)節(jié)多種其他受體的功能，并具有對抗細(xì)胞毒素性神經(jīng)保護(hù)作用。

2 nAChR對AD的神經(jīng)保護(hù)作用

大量研究發(fā)現(xiàn)給予尼古丁和其他尼古丁受體激動劑后nAChR可發(fā)揮一定的神經(jīng)保護(hù)作用，其中利用特異性尼古丁受體亞型激動劑證明α7和α4β2 nAChRs亞型激動也都分別可起到神經(jīng)保護(hù)作用〔12〕。說明nAChR在神經(jīng)保護(hù)和控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能具有十分重要作用。在培養(yǎng)的海馬和皮層神經(jīng)元，nAChR對谷氨酸和N－甲基－D－天門冬氨酸(NMDA)誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡具有保護(hù)作用〔13〕。

1986年Nordberg等就已分別報道AD患者腦中高親和力的尼古丁受體數(shù)目明顯降低，在以后的尸檢和活檢中也發(fā)現(xiàn)了尼古丁受體的明顯降低，但其降低的原因還未完全闡明。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦尼古丁受體密度降低，尼古丁受體亞單位在蛋白水平含量減少，但mRNA表達(dá)水平未見明顯降低〔14〕。受體結(jié)合實驗也發(fā)現(xiàn)AD患者大腦尼古丁受體密度降低，與大腦顳葉皮質(zhì)SP的增多程度呈負(fù)相關(guān)，尼古丁受體亞型在蛋白水平含量減少，但mRNA表達(dá)水平未見明顯降低。在體試驗證明煙堿對興奮性毒性作用或缺血缺氧導(dǎo)致的神經(jīng)元損傷具有保護(hù)作用，而煙堿的這一保護(hù)作用是通過對nAChR激活實現(xiàn)的〔15〕。在體外培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞株中加入不同肽段的Aβ后發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生神經(jīng)毒性反應(yīng)，nAChR功能結(jié)合狀況、蛋白和mRNA表達(dá)水平等均降低，生物膜性脂質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等。同時發(fā)現(xiàn)Aβ可引起生物膜性脂質(zhì)過氧化和自由基水平升高，用抗氧化物質(zhì)(如維生素E)處理細(xì)胞后可減弱Aβ毒性作用所造成的尼古丁受體結(jié)合率降低及受體蛋白表達(dá)減少。官志忠等〔16〕發(fā)現(xiàn)，AD病人尸解后腦組織中海馬和大腦皮層區(qū)域nAChR α4亞單位蛋白質(zhì)水平分別較同齡對照組降低了35%和47%;α3亞單位分別降低29%和35%;α7亞單位亦有明顯降低;但β2亞單位與對照組相比無明顯的差異。我們既往的研究〔17〕顯示，經(jīng)腦室注射 Aβ42 的大鼠腦組織中，nAChR α7 亞單位較對照組明顯降低，說明Aβ42能夠引起α7亞單位蛋白水平表達(dá)降低。

在攜帶瑞典家族性遺傳性APP突變基因(APPSWE)轉(zhuǎn)基因大鼠腦標(biāo)本中可見α7n AChR的選擇性升高，提示α7nAChR的升高是對Aβ毒性作用的一種保護(hù)機(jī)制。通過RNA干擾沉默SH－SY5Y細(xì)胞α7nAChR及 α3nAChR可發(fā)現(xiàn) Aβ毒性作用明顯增強(qiáng)〔18，19〕，α7nAChR 及 α3nAChR 可能通過增強(qiáng) α－分泌酶對APP的切割來發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，其表達(dá)減少與AD的發(fā)病機(jī)制有密切關(guān)系。在β2 nAChR缺失的小鼠，其大腦學(xué)習(xí)記憶能力明顯降低〔20〕。Femandes等〔21〕利用缺乏 α7 nAChR 的小鼠與對照組比較發(fā)現(xiàn)，前者在水迷宮實驗中存在學(xué)習(xí)、記憶等認(rèn)知能力的低下。在AD患者中觀察到的膽堿能損害與α7nAChR水平下降和突觸連接損傷有關(guān)〔22〕，很明顯 α7 nAChR在神經(jīng)保護(hù)中起了重要作用，特別是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種神經(jīng)保護(hù)作用可能是通過 α7 nAChR 激活 JAK2－NF－κB/STAT3－Bcl－2 的生存途徑〔23〕。此外，這條途徑還直接涉及Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性，α7 nAChR激活促使 Bcl－2產(chǎn)生似乎完全抵消了Aβ42誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，因為它阻斷Aβ42誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)線粒體釋放細(xì)胞色素C〔24〕。已證明一種 α7nAChR 激動劑 gx－50 能減弱 Aβ42誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步說明α7 nAChR在AD中的神經(jīng)保護(hù)作用〔25〕。

體外實驗研究表明在海馬神經(jīng)元和大腦皮層神經(jīng)元尼古丁可以降低Aβ的聚集和Aβ的毒性〔26〕。同時也發(fā)現(xiàn)尼古丁降低Aβ的毒性可能與磷脂酰肌醇－3激酶(PI3K)級聯(lián)反應(yīng)有關(guān)〔27〕。目前認(rèn)為這一作用可能源自于Ca2+的內(nèi)流。神經(jīng)元nAChR的激動在一定程度上調(diào)節(jié)Ca2+信號，這不僅是因為通過不同的nAChRs亞型進(jìn)行Ca2+內(nèi)流，同樣也因為突觸前膜的去極化激活電壓門控離子通道，使細(xì)胞內(nèi) Ca2+水平升高。nAChR激動劑增加了nAChR離子通道對Ca2+的通透性從而激活蛋白激酶C(PKC)通路、Ca2+依賴的蛋白激酶Ⅱ而發(fā)揮作用。在Ca2+水平升高的情況下絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路同樣也被激活并發(fā)揮作用，其核心分子ERK與其上游激活分子和下游效應(yīng)分子組成一個準(zhǔn)確高效的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)體系。在接受細(xì)胞外的多種刺激因子如生長因子、神經(jīng)營養(yǎng)因子、神經(jīng)遞質(zhì)等刺激后，通過Raf/MEK/ERK級聯(lián)通路，ERK1/2被磷酸化形成p－ERK1/2，并向細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移，具有調(diào)控轉(zhuǎn)錄活性的能力，調(diào)節(jié)損傷后相關(guān)基因的表達(dá)〔28〕。

尼古丁受體的激動也可增加神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)突觸可塑性的長期改變可能與神經(jīng)營養(yǎng)因子有關(guān)〔29〕，抑制神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)可能導(dǎo)致神經(jīng)元萎縮。因此通過nAChR信號來調(diào)節(jié)神經(jīng)營養(yǎng)因子，這已被認(rèn)為是尼古丁受體激動產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用的可能機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)在大劑量間斷給予尼古丁和其他尼古丁受體激動劑如地棘蛙素，ABT－594后纖維原細(xì)胞生長因子2(FGF－2)的mRNA和蛋白水平都上調(diào)。在成熟大鼠實驗研究中發(fā)現(xiàn)，大劑量間斷給予尼古丁后nAChR激活，上調(diào)FGF－2水平從而促進(jìn)神經(jīng)元前體細(xì)胞增殖〔30〕進(jìn)而起到神經(jīng)保護(hù)的作用。

3 結(jié)論

nAChR屬于包括尼古丁、γ－氨基丁酸、氨基乙酸及谷氨酸等遞質(zhì)性受體超基因家族的一員，不同的和亞單位在不同腦區(qū)的組合表達(dá)而產(chǎn)生具有特殊功能的神經(jīng)型尼古丁受體亞型。尼古丁受體與很多大腦功能有關(guān)，如認(rèn)知功能、記憶功能、對其他神經(jīng)遞質(zhì)釋放的調(diào)節(jié)及神經(jīng)保護(hù)功能，而AD發(fā)生時有上述功能的損害并有nAChR數(shù)量的減少和表達(dá)的低下，因此可以說在AD的發(fā)生和發(fā)展中nAChR起著重要作用。但是到目前為止是AD導(dǎo)致了nAChR的降低還是減少引起AD的發(fā)生仍未清楚闡明。盡管對煙堿受體激動與神經(jīng)保護(hù)作用已有大量的數(shù)據(jù)，但從認(rèn)識nAChR激動后所發(fā)揮的作用到作用機(jī)制的探討以及最終確定精確的治療神經(jīng)退行性疾病的靶位并開發(fā)新的煙堿類化合物還有大量的工作要完成。此外，還必須了解不同亞型的nAChRs在神經(jīng)保護(hù)中所扮演的角色。這些對于尋找作用于nAChR并能延緩神經(jīng)退行性疾病病程及改善認(rèn)知功能的化合物是極其重要的。

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